藍藻水華生產(chǎn)力控制技術路線圖

藍藻水華在全世界普遍發(fā)生。近年來，歐美等水環(huán)境治理較好的國家中藍藻水華又有重新抬頭之勢，許多發(fā)展中國家藍藻水華的發(fā)生頻率和強度則呈不斷增加的趨勢。藍藻水華引起的一系列環(huán)境和健康問題，20世紀90年代以來，世界上發(fā)表的湖泊富營養(yǎng)化和藍藻水華方面的研究論文大幅度上升，說明全世界各國的高度重視。

——優(yōu)勢種的競爭策略——

藍藻水華是藍藻在低光強度下旺盛生長，形成優(yōu)勢的種群。而后遷移到水面為水華。藍藻增長率最大值可以達到0.6至0.8d-1。藍藻旺盛增長所需要的外部條件是：充分的N、P營養(yǎng)，N>2.0mg/l；P>0.02mg/l；在溫度13°C以下，生長非常慢；藍藻生長最適的溫度是25°C—35°C；適宜的pH是7.5—9.0。形成水華的藍藻生長繁殖是快速還是緩慢，與該物種在什么條件下如何發(fā)揮其生理潛能有很大關系。在某些情況下，水華藍藻只能以光能轉(zhuǎn)換率0.2％的效率生長，而同樣的物種，在另外的條件下，能夠以光能轉(zhuǎn)換率10%的效率生長，相差50倍；另一方面，水華藍藻能在較短時間形成大規(guī)模“水華”，這些都有它們的適應和競爭策略，根據(jù)現(xiàn)有的知識和本課題組成員長期研究的結(jié)果，對水華藍藻8個方面（細胞內(nèi)具有精細的偽空胞結(jié)構(gòu)—自主浮力調(diào)節(jié)機理、三套色素系統(tǒng)—低光補償機制、細胞磷庫和營養(yǎng)儲藏轉(zhuǎn)化—奢侈消費機制、高效吸收和同化二氧化碳—無機碳濃縮機制、固氮—營養(yǎng)補償機制、休眠—回避不良條件機制、產(chǎn)毒—尚不明確的競爭機制、種群演替—生態(tài)位替補競爭機制）競爭機制的理解或許可以有助于定位控制藍藻水華的著力點。

——主要危害——

嚴重的水華是有害或有毒的，專門定義為有害藻類水華（HAB）。在淡水重污染水體中水華的優(yōu)勢種多半屬于藍藻。在我國長江流域如滇池、巢湖、太湖的水華集聚區(qū)，藍藻的濃度已經(jīng)達到3×109細胞/升，即超出通常“嚴重”程度的數(shù)千至上萬倍。防治湖泊富營養(yǎng)化和藻類水華成為當代資源、環(huán)境、生態(tài)領域重大的科學和技術問題與熱點之一。藍藻水華引起一系列環(huán)境和健康問題，理論上，藍藻水華的影響在于其損壞水體生態(tài)系統(tǒng)的健康，破壞生態(tài)系統(tǒng)的服務功能，成為自然和人類社會的生態(tài)災害。從技術的、可操作的層面上看，藍藻水華對環(huán)境和人畜健康的影響出于三個方面：水華在湖面形成巨大的生物量，某些水華藍藻產(chǎn)毒，藍藻水華造成水體發(fā)生異味。重富營養(yǎng)化和嚴重的HAB之所以是近20年來國際上水環(huán)境領域和生態(tài)系統(tǒng)管理中的一大熱點和難點，也與藍藻水華形成巨大的表層生物量、藻毒素和藻源異味異嗅物質(zhì)相關。

——現(xiàn)有對策——

在現(xiàn)代社會，人類活動對環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)的干擾大大超出了自然界通常能夠容納的范圍，原本自然發(fā)生的富營養(yǎng)化現(xiàn)象由于人類社會活動使之加速而變得異乎尋常地嚴重。水體富營養(yǎng)化具有三個表征：其一，初級生產(chǎn)力高，水華藻類生物的現(xiàn)存量高；其二，周期性地發(fā)生令人厭惡的藍藻水華，特別發(fā)生處于水體表面的單細胞群體藍藻銅銹微囊藻水華；其三，氮、磷營養(yǎng)水平大大超過對水華藻類生長限制的程度。富營養(yǎng)化水體的生產(chǎn)力由于人類活動造成的營養(yǎng)加富和輸入而非常高，形成浮游生物密集于水面的惡性狀態(tài)，于是，人類干擾下的自然現(xiàn)象便出現(xiàn)了非純自然因素的生態(tài)、環(huán)境、社會效應，成為災害。人們已經(jīng)認識到，嚴重的富營養(yǎng)化和水華（包括產(chǎn)毒水華）是對人類損壞環(huán)境的一種報復(“產(chǎn)毒的復仇者”——Toxic avengers)。從發(fā)生原因和機理方面，了解到許多因素如“磷——一把雙刃劍”、“水流影響藻類水華”等；從控制的角度，人們發(fā)展了種種策略和技術，諸如利用安全脫磷、濾食性浮游動物、食藻細菌、混合水層、農(nóng)業(yè)非點源污染控制，等等。這些研究和實踐活動分別從不同側(cè)面對湖泊富營養(yǎng)化及其引起的水華的成因、防治對策和技術研究做出了貢獻，但是單方面的結(jié)論或單項措施往往局限性很大，既不系統(tǒng)，也不深刻。

——根本出路——

水體污染、水資源短缺和藍藻水華頻發(fā)，同時困擾和制約水體周邊城市和流域范圍內(nèi)的經(jīng)濟建設與社會發(fā)展，治理流域水污染成為全社會的共同愿望與要求，也是控制藍藻水華的根本途徑。根據(jù)生態(tài)學原理，在污染源控制格局維持原狀或是稍有好轉(zhuǎn)的前提下，從根本上需要控制的是藍藻水華的生產(chǎn)力，降低藍藻生物量，最終達到削減或清除藍藻水華污染之目的。

理論上，“生產(chǎn)力控制”首先控制種群生存的條件，即控制水體營養(yǎng)水平和提高牧食生物的消費水平（包括“上行操縱”和“下行操縱”）�；蛘哒f，是提高生態(tài)系統(tǒng)（水華藍藻的生存條件）控制藻類水華發(fā)生的能力，達到基本消除藍藻水華污染的目的。這是完全不同于生物量控制的做法，因為生物量控制得到的結(jié)果，“每個個體有效食物量和其他資源增加，生長加速”，往往激發(fā)種群的增長率，是不可取的。

藍藻水華的生產(chǎn)力，即在以水華藍藻為優(yōu)勢種的情況下所形成的水體初級生產(chǎn)力。而水體初級生產(chǎn)力源于光合作用，是一個能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)換的過程。從物質(zhì)轉(zhuǎn)化角度看，通常的光合作用表達式如下：

對于水華藍藻的光合生產(chǎn)，光合作用可以表達如下式，即：

[106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++能量＋微量元素]在細胞光合反應系統(tǒng)內(nèi)生成藻類的原生質(zhì)并放出氧[C106H263O110N16P1(藻類原生質(zhì))+138O2]。

理論上概略計算，每1個磷原子與16個氮原子、110個氧原子、263個氫原子和106個碳原子合成1個藻類原生質(zhì)大分子，其中，磷是最重要的限制性元素。盡管實際發(fā)生的生物化學過程遠遠比這個簡單的表述復雜的多，但是這一基本格局無可取代。

藍藻水華生產(chǎn)力控制的理論依據(jù)是建立在現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)理論之上的生態(tài)系統(tǒng)能流分析和能量效率學說。根據(jù)熱力學定律能量既不能被消滅，也不會憑空產(chǎn)生。只能從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)化成另一種狀態(tài)。水體初級生產(chǎn)力在執(zhí)行水體能量流動生態(tài)功能方面具有重要的不可替代的作用。初級生產(chǎn)力是次級生產(chǎn)力的基礎，次級生產(chǎn)力使初級生產(chǎn)力能量在食物網(wǎng)鏈的交聯(lián)接合上得到合理地轉(zhuǎn)化和利用，對于維持生態(tài)系統(tǒng)的物種構(gòu)成、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和空間分布具有重要的作用，從而維護了生態(tài)系統(tǒng)及其生物群落的物種多樣性、遺傳多樣性和基因多樣性。也是物種種質(zhì)保護，名特優(yōu)水生生物種群的資源保護和可持續(xù)發(fā)展的必不可少的基礎。隨著水體N、P等營養(yǎng)物質(zhì)上升，水體中浮游植物初級生產(chǎn)力的比例升高；水草的破壞和固著藻類棲息地的損失，浮游植物初級生產(chǎn)力的比例越來越高，光強下降，COD和BOD的值上升，導致藍藻水華暴發(fā)。

實踐說明，上述理論分析是正確的。在嚴重發(fā)生藍藻水華的湖泊，水體就猶如一個培養(yǎng)水華藍藻的“生物反應器”，其生產(chǎn)力之高，往往非人力所及，因而治理上，需要“釜底抽薪”，破壞其形成很高生產(chǎn)力的外部條件。藍藻水華生產(chǎn)力控制原理闡明了生態(tài)系統(tǒng)單元組分的關聯(lián)性及其在控制水華藍藻生產(chǎn)力中的作用和過程。湖泊水體內(nèi)“生物控制藍藻水華技術”分別由濾食性魚類（主要為鰱、鳙魚）、濾食性底棲動物、浮游動物、噬菌體和噬藻體控制藍藻水華技術4個部分組成。過程為：濾食性魚類高強度穩(wěn)定有效地攝食→表層微囊藻水華消減→水華藻類優(yōu)勢種向小型化發(fā)展→浮游動物種群擴增→控制小型藻類→沉水植物恢復→透明度上升。實踐證明，“魚＋浮游動物＋草”是生物控藻途徑中一個效果顯著的方式。

考慮到水體富營養(yǎng)化問題成因與危害的復雜性，應該從整個社會的不同層面實施下列對策，即推進三個根本轉(zhuǎn)變、實施受損水生態(tài)系統(tǒng)修復、建立截污與節(jié)約用水并舉的良好機制、建立信息網(wǎng)絡和在線監(jiān)測、實行流域管理與區(qū)域合作、加強和深化科學技術研究。

推進三個根本轉(zhuǎn)變：即實行從以截污為主的污染治理到湖泊營養(yǎng)總量控制，從局部或單元治理到湖泊生態(tài)系統(tǒng)管理，從行業(yè)和地方的資源開發(fā)式管理發(fā)展到全流域以湖泊生態(tài)安全為基礎的可持續(xù)發(fā)展管理三個根本轉(zhuǎn)變。

受損水生態(tài)系統(tǒng)修復：根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的原理，水體生態(tài)系統(tǒng)在富營養(yǎng)化進程中，理論上總磷濃度在100—1000mg/L范圍內(nèi)，是可能采取環(huán)境生態(tài)工程措施進行修復并促使其逆向轉(zhuǎn)換到清水－水生高等植物為優(yōu)勢種群的“穩(wěn)態(tài)”的。作者及其團隊的實地研究結(jié)果說明，在高于總磷濃度1000mg/L的范圍也可能實現(xiàn)富營養(yǎng)化水體穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換。

建立截污與節(jié)約用水并舉的良好機制：截污絕對是控制水體富營養(yǎng)化的前提；截污與用水方式密切相關。大量原始粗曠的用水方式使截污的成本和工作量大大增加。我國在截污和節(jié)水機制的建立上還存在很大的弊病。這一看似普遍知曉的道理在實施過程中則是決定整治水環(huán)境的關鍵。

建立信息網(wǎng)絡，建立在線監(jiān)測：我國水環(huán)境信息系統(tǒng)在監(jiān)測站網(wǎng)、水文水質(zhì)數(shù)據(jù)共享、水環(huán)境信息管理系統(tǒng)、水環(huán)境信息發(fā)布等方面存在諸多不足，信息網(wǎng)絡的效能、管理水平和共享機制有待提高。

流域管理與區(qū)域合作：在治理富營養(yǎng)化問題上，流域管理的合作，生物多樣性保護的合作，是不可缺少的。

加強和深化科學技術研究：水環(huán)境惡化的問題是突出的，而且相當嚴重；更嚴重的是人們至今并未足夠地認識淡水生態(tài)系統(tǒng)的悲劇性變化，可謂哀莫大矣。如果人們在理性的思維中將科學技術作為一切工程措施的基石，那么，對于治理水環(huán)境而言，這個基石并不堅實。我國大規(guī)模的水環(huán)境治理工程尚未展開，現(xiàn)有的工作的確取得了可貴的經(jīng)驗，我們應該看到這是在我國大規(guī)模整治水環(huán)境的前期探索和歷史性任務的啟動；另一方面，我們遇到的問題之所以眾說紛紜，關鍵在于決策的科學技術依據(jù)仍然不足，我們的基礎研究和技術研究都還不能全面、完整、及時地為重大決策提供扎扎實實的支撐。因此，治理淡水水體的歷史性任務既是經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的需求，也是科學技術進步的需求。(文·劉永定)

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